Protoplanetární disk, který obíhá kolem hvězdy ve vzdálenosti jen 0,2 až 0,3 astronomické jednotky, tedy blíže než je dráha planety Merkur, nabízí nové možnosti, jak vysvětlit vývoj Sluneční soustavy. Jedinou možností, jak můžeme získat představu o fázích vývoje Sluneční soustavy, je studovat jiné planetární soustavy kolem blízkých hvězd. Jednu z takových soustav popsal Wiliam Herbst (Wesleyan University) na zasedání o extrasolárních planetách v Carnegie Institution ve Washingtonu v červnu 2002. Studovaná hvězda je extrémně mladá (3 milióny let) a její chování je velmi podivné. Každých 48 dní se její svítivost sníží na pouhá 4 procenta původní svítivosti a toto snížení trvá 18 dní. Změny svítivosti jsou zřejmě důkazem, že pozorujeme hvězdu obklopenou plynoprachovým diskem se dvěma velkými shluky hmoty, které periodicky zakrývají hvězdu v našem směru pozorování.

Soustředění hmoty do shluků naznačuje, že v soustavě může existovat hustý objekt, jako je planeta nebo hnědý trpaslík. Na zmíněném zasedání Geoffrey Bryden z laboratoří tryskových pohonů JPL (Jet Propulsion Laboratory) přirovnat tyto slapové vlny k těm, které způsobuje Měsíc. Herbstova hvězda KH 15D je příliš daleko (2400 světelných let), takže nelze měřit hmotnost planet metodami, které úspěšně používali Paul Butler a Geoffrey Marcy. Avšak z tvaru světelné křivky lze odvodit, že protoplanetární disk se musí pohybovat velmi blízko centrální hvězdy. Dosud všechny objevené protoplanetární disky měly rozměry odpovídající až vzdálenosti dráhy Pluta od Slunce.

Podle některých teorií planety vznikají ve velké vzdálenosti od centrální hvězdy a pak se přesouvají na bližší dráhy, jak pozorujeme v řadě extrasolárních soustav. Jak však vysvětlit v tomto případě existenci planety blízko centrální hvězdy, která je tak mladá? Tato planeta má navíc neobyčejnou velikost a rychlou oběžnou dobu. Rovina její oběžné dráhy leží přibližně v zorném paprsku našeho pozorování. Po šesti letech pozorování se světelná křivka výrazněji prohloubila a rozšířila, což naznačuje existenci hustotních vln hmoty v protoplanetárním disku.

Japonští výzkumníci (Takashi Yabe, [M1], Institut technologie v Tokiu) zkonstruovali laserem poháněné papírové letadlo. Budoucí verze takového letadla by mohly například monitorovat klimatické jevy nebo vulkanické erupce z ptačí perspektivy. "Mikroletadlo" má velmi malé rozměry (jeden až dva palce, 1 palec = 25,4 mm) a velmi malou hmotnost (jen 0,1 až 0,2 gramu). Hlavní součástí celého letadla je dvouvrstvý "terčík", obsahující kapku vody nebo kapku polymeru (lucit) na malé, hliníkem slabě pokovené podložce. Pohon letadla spočívá v ozařování tohoto terčíku paprskem laseru YAG (yttrium-aluminiový granát, Y₃ Al₅ O₁₂). Ozářením terčíku z vody nebo lucitu laserový paprsek vytváří plasmu, která se prudce odpařuje a pohání letadlo rychlostí až 5 km/hod. Letadlo je poháněno na základě třetího Newtonova pohybového zákona, kdy každá akce vytváří reakci stejné velikosti ale opačného směru. Výzkumníci doufají, že se jim podaří vyvinout mikroletadla, která bude možno trvale řídit laserovým paprskem. (Yabe et al., Applied Physics Letters, 10. června 2002)

Kvantově mechanické metody a výzkum algoritmů inspirovaných biologickou evolucí již vedou k vývoji zcela nových materiálů. Ačkoliv tyto metody mohou vést k vývoji produktů od komponent baterií až po katalyzátory, dánská skupina se jako první začala zabývat výzkumem nových super-slitin. Obecně teoretické metody pro předpovídání vlastností různých slitin kovů nevedou k dobrým výsledkům a charakteristiky nových slitin se zjišťují pomocí experimentů. Pokud vezmeme v úvahu, že existují stovky tisíc možných kombinací, které lze vytvořit dokonce s malým počtem kovů, vývoj nové slitiny vyžaduje nezměrnou trpělivost a velké štěstí.

Jens Norskov [M2] a jeho kolegové z Technické univerzity v Dánsku nedávno určili dvanáct nejslibnějších slitin z asi dvou set tisíc možných kombinací, aniž k tomu potřebovali časově náročnou experimentální práci. Jejich metoda vychází částečně z pokročilých modelovacích metod, využívajících teorii hustotních funkcí (DFT, density functional theory). Tato metoda umožňuje předpovědět vlastnosti materiálu pomocí vzájemných interakcí skupin elektronů v materiálu.

Místo toho, aby výzkumníci použili teorii DFT na ohromné množství možných slitin, studovali jen takové slitiny čtyř kovů, které vybral algoritmus do značné míry podobný neorientované variaci a selekci variant v Darwinově evoluční teorii. Na počátku výzkumníci vytvořili "živou populaci" slitin, z nichž každá byla reprezentována "genetickými kódy" složenými z různých kombinací čtyř předem zvolených kovů ze 32 možných kovů. Nové slitiny vznikaly náhodnými mutacemi a náhodnými kombinacemi, které odpovídají "křížení" mezi rodičovskými slitinami (neorientovaná variace). Za "nejúspěšnější v boji o přežití" byly považovány nejvíce stabilní slitiny. Výzkumníci svůj výpočet provedli s několika různými počátečními populacemi slitin a zjistili, že pokaždé "přežije" stejná skupina slitin. Mezi přežívajícími slitinami se nacházely některé již známé super-slitiny, ale byly objeveny zcela nové slitiny, které dosud nebyly experimentálně studovány.

Výzkumníci jsou přesvědčeni, že praktické studium nových materiálů musí zahrnovat nejen stabilitu slitiny. Přesto jejich nová evoluční metoda představuje významný krok k urychlení výzkumu slibných nových materiálů nebo jiných sloučenin a značně omezuje závislost tohoto výzkumu na drahých a značně pomalých laboratorních experimentech. (G.H. Johannesson et.al., Physical Review Letters, 24. června 2002)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 594. June 20, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Balistická magnetoresistence je dalším způsobem, jak lze využít orientaci spinů pro záznam informace na magnetickém médiu, jako je pevný disk. Balistická magnetoresistence mění elektrický odpor v připojeném obvodu, který takto rozpoznává zaznamenanou informaci. Vlastní záznamové médium se může skládat s navzájem se střídajících magnetických a nemagnetických vrstev, jako je tomu v případě GMR (giant magnetoresistence) nebo dokonce nemusí obsahovat žádný magnetický materiál, jako je tomu v případě EMR (extraordinary magnetoresistence).

V případě balistické magnetoresistence je velikost senzoru omezena na shluk feromagnetických atomů, které jsou navzájem spojeny řekněme olověnými mikrovlákny. Slovo "balistický" zde znamená, že senzor je menší než typická délka dráhy rozptylu elektronu, který se proto pohybuje po přímé trajektorii. Rozptyl elektronu je negativně ovlivněn vlastními magnetickými jevy a nikoliv pouze rozptylem na atomech v samotném senzoru. Proto je proces čtení záznamu velmi citlivý. Pokud jsou elektrony proudící v obvodu spinově polarizovány, pak se tento proud procházející senzorem rozptyluje (tj. vzniká větší nebo menší resistence) v závislost na stavu magnetizace uvnitř vrstvy atomů, které tvoří záznam. Sensor je schopen rozpoznat slabé síly, které vznikají v malých magnetických doménách záznamu.

V nových experimentech s balistickou magnetoresistencí v SUNY Buffalo (Harsh Deep Chopra, [M1], Susan Hoa) je velikost senzoru tak malá (s šířkou a délkou jen několik nanometrů), že elektron při průchodu kontaktem má menší šanci se přizpůsobit nastavení spinu druhé elektrody (odlišného od spinu první elektrody). Proto se méně rozptyluje a vytváří tak silný jev magnetoresistence. Výzkumníci ve svém experimentu dosáhli při pokojové teplotě změny odporu 3150% (v porovnání se 100% pro GMR, 1300% pro EMR nebo 1300% pro CMR, colossal magnetoresistence). V současné době tedy jde o nejúčinnější spinově závislý jev magnetoresistence při pokojové teplotě, které se spintronickým zařízením podařilo dosáhnout. Proto lze využívat velmi slabá magnetická pole (s magnetickou indukcí menší než 160 Gaussů). Díky tomu lze zmenšit velikost záznamových domén a lze zvýšit hustotu záznamu na médiu. Protože velikost senzoru je jen několik tisíc atomů, ukládací kapacita záznamu by mohla dosáhnout několika terabitů na palec čtverečný (1 palec = 25,4 mm). (Chopra and Hua, Physical Review B, Rapid communications, 1. července 2002)

Spintronika je mladým oborem mikroelektroniky, který využívá spin elektronů a nikoliv jejich náboj, jako je tomu v "běžné" elektronice. Jedním z cílů spintroniky je řídit elektrické obvody pomocí jednotlivých spinů elektronů. Fyzikové z kanadského Ústavu pro mikrostrukturální vědy v Ottavě jako první vytvořili prototyp jednospinového transistoru, který se skládá z kvantové tečky spojené se spinově polarizovanými elektrodami.

Kvantová tečka je umělý atom, v němž jsou elektrony prostorově omezeny elektrostatickým potenciálem takovým způsobem, že určité jádro lokalizuje elektrony v tomto atomu. Kvantovou tečku lze vyprázdnit a pak lze přidávat elektrony tak, že se vytvoří "vodíková" tečka (s jedním elektronem), "héliová" tečka (se dvěma elektrony) atd. Spiny elektronů v transistoru nejsou náhodné, ale závisejí na počtu elektronů a na vnějším magnetickém poli. Spojením kvantové tečky se spinově polarizovaným zdrojem elektronů lze dosáhnout toho, že proudící elektrony mají buď jeden nebo druhý spin. Směr spinu lze pak využít v hradle, které přepíná vyšší nebo nižší elektrický proud procházející tečkou.

Spinový stav kvantové tečky je zakódován v obtížnosti, s níž lze přidat další elektron. Tímto způsobem lze "číst" spinové vlastnosti kvantové tečky. V jistém smyslu lze také "zapisovat" (tj. změnit řízeným způsobem spinový stav kvantové tečky) přidáním elektronu nebo nastavením magnetického pole. Tato jedinečná kombinace řízení jediným nábojem a jediným spinem může sehrát jistou roli v budoucích komponentách kvantových počítačů, kde kvantový bit (qubit) se může skládat ze zvláštním způsobem připravených spinových stavů (Ciorga et al., Physical Review Letters, 24. června 2002; kontakt: Pawel Hawrylak, [M2], Andrew Sachrajda, [M3]).

Lasery mohou mít různé velikosti a lze je sestavit z různých resonančních dutin a aktivních optických materiálů. Obecně platí, že větší omezení pohybu zvětšuje kvantování energie elektronů. Proto kvantové tečky, v podstatě bezrozměrné části aktivního materiálu, mohou po excitaci vyzařovat světlo na téměř jediné vlnové délce. Kvantové tečky jsou proto zajímavým aktivním materiálem pro některé typy laserů. Některé existující lasery používají kvantové tečky zhotovené epitaxně: atomy v tečkách jsou přesně umístěny použitím paprsků atomů nebo molekul. Výzkumníci v MIT (Massachusetts Institute of Technology) ve svém laseru jako aktivní prostředí použili nanočástice sloučeniny CdSe nanesené na vrstvu organických molekul, která tvořila průhledný tenký film. Toto aktivní prostředí je usazeno na mřížce vlnovodu. Výhodou této technologie je jednoduché řešení výroby místo přesné epitaxní metody, která se obvykle používá při výrobě polovodičových součástek. Navíc vlnovou délku záření laseru lze měnit změnou velikosti nanočástic CdSe, roztečí mřížky vlnovodu nebo změnou indexu lomu vlnovodu. Díky tomu lze vyrábět typy laserů určené pro různé aplikace. (Eisler et al., Applied Physics Letters, 17. června 2002; kontakt: Moungi Bawendi, [M4])

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 595. June 26, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Španělští fyzikové ukázali, že fotony v laserovém paprsku mohou kondenzovat do "světelných kapek" s určitými vlastnostmi podobnými kapalinám. Pokud paprsek laseru prochází nelineárním optickým prostředím, může se samovolně soustřeďovat. Vzniká velmi intenzivní světlo se silným elektrickým a magnetickým polem, jehož důsledkem může být změna indexu lomu materiálu, který se pak chová jako optická čočka. V určitém bodě se paprsek laseru může natolik soustředit, že vytvoří kondenzovaný stav analogický Van der Waalsovým silám a vznikne "světelná kapalina" v plynovém oblaku. Tyto "světelné kapky" sice nejsou trvalé, ale mohou se pohybovat rychlostí světla. Humberto Michinel [M1] a jeho kolegové v Universidade de Vigo, Universidade de Santiago a Chalmers Tekniska Hogskola v Goteborgu ve Švédsku tvrdí, že kondenzáty světla lze považovat za skutečné kapky, protože jejich výzkum ukazuje, že mají vlastnosti podobné kapalinám: mají jisté povrchové napětí (pružný odpor při stlačení) a mohou obsahovat víry, podobně jako supratekutiny. Světelné kapky, které dosud nebyly laboratorně předvedeny, mohou být užitečným nástrojem pro přenos velkého množství bitů informace v budoucích optických počítačích. (Michinel et al., Physical Review E, červen 2002).

V elektronice pohyb elektronů v obvodu může zajišťovat ukládání a přenos dat, provádět matematické výpočty nebo vytvářet zvuk a obraz. Ve spintronice se místo elektrického náboje využívá spin elektronu. Avšak co se děje v případě, že máme k dispozici pouze spin a nikoliv náboj?

"Spinonika" je termín, který prosazuje Ganapathy Baskaran z Ústavu matematických věd v Madrasu v Indii pro manipulaci zvláštních beznábojových spinových částic označovaných jako "spinony" nebo "tripletové excitony", pokud je hodnota jejich spinu rovna jedné. Obecně kolektivní excitace jsou pro fyziku kondenzovaných látek totéž, co elementární částice pro fyziku vysokých energií.

Spinové excitace ve fyzice kondenzovaných látek byly pozorovány již dříve. Spinové vlny jsou poruchy, které mohou šířit orientaci spinu od jednoho atomu k druhému v krystalové mřížce. Ganapathy Baskara [M2] studuje proud spinů, který se pohybuje z místa na místo. Tripletové excitony jsou balíky spinů, které mohou vznikat v polovodičích nebo nevodičích pomocí zvláštních metod a s použitím laserů a které se šíří pouze na krátké vzdálenosti. Baskaran a jeho kolega S.A. Jafari předpovídají, že spinový proud lze vytvořit jednodušeji lze jej šířit na velké vzdálenosti v grafitu a uhlíkových nanotrubičkách, které se chovají jako polo-kovy. Jsou to v podstatě polovodiče, v nichž ale energetická mezera (rozdíl energie mezi elektrony udržované v atomech uhlíku a volnými elektrony) je rovna nule. Výhodou této pouze spinové formy transportu je možnost studia nových kvantových jevů a možnost omezení nežádoucího rozptylu, způsobeného defekty, nečistotami a fonony. (Baskaran and Jafari, Physical Review Letters, 1. července 2002)

Přestože se listy různých druhů rostlin značně odlišují, existují univerzální principy, jimiž se řídí obrazce žilek ve všech listech. Výzkumníci z Laboratorie de Physique Statistique (S. Bohn, [M3] a z Museum National d'Historie Naturalle v Paříži nedávno studovali sítě žilek v listech různých typů rostlin. Jejich analýza ukázala, že všechny sítě žilek v listech dodržují jednoduché vztahy mezi úhly, pod nimiž se žilky v listech navzájem protínají, a mezi tloušťkou žilek v místech protnutí. Žilky podobné velikosti se protínají zhruba pod úhlem 120 stupňů, ale malé žilky s velkými žilkami se protínají zhruba pod úhlem 90 stupňů. Představme si například, že tyto úhly vznikají tahem tenkých vláken přivázaných k napjatému lanu. Podobnost mezi sítí vláken a lan umožňuje pochopit síly, které působí na jednotlivé žilky v listech. Výzkumníci jsou přesvědčeni, že existuje určitý mechanismus vytváření listu, který je pozůstatkem jednoduchých mechanických problémů.

Tento model je v rozporu s teoriemi, které vysvětlují sítě žilek na listech pomocí představy mýdlové pěny a vyžadují, aby všechny úhly průsečíků byly 120 stupňů. Model je také v rozporu s teorií šíření trhlin, podle nichž úhly průsečíků mezi starými a novými trhlinami mají velikost 90 stupňů. Model není v souladu ani s Turingovou difúzí, která vede k obrazcům podobným větvím stromům a nikoliv k síti navzájem se protínajících žilek.

Někteří botanici považují žilky na listech za možný nástroj pro třídění rostlin. Univerzální podobnost struktury žilek ale naznačuje, že vznik listů se řídí všeobecným mechanismem a proto pro třídění rostlin nemá větší význam.(S. Bohn et al., Phys. Rev. E, červen 2002)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 596. July 2, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Za posledních asi sto let se konstrukce roentgenových zdrojů používaných ve většině lékařských a dentistických ordinacích příliš nezměnila. Katoda zahřátá na teplotu asi 1500 stupňů emituje elektrony, které po průchodu vakuovou trubicí dopadají na terčík, kde způsobují emisi roentgenova záření. Nedávno tým fyziků a lékařů z Univerzity v Severní Karolině ve spolupráci se společností Applied Nanotechnologies, Inc. vytvořil roentgenový zdroj, který při pokojové teplotě využívá uhlíkových nanotrubiček pro vytváření elektronů a přenos dostatečně toku roentgenova záření. Tento zdroj lze využít pro praktické účely. Celé zařízení je menší a chladnější než starší modely a výsledné roentgenové pulsy jsou více soustředěny. Zařízení umožňuje naprogramovat délku a tvar roentgenového pulsu, což umožňuje sledování objektů v pohybu. (Yue et al., Applied Physics Letters, 8. července 2002; kontakt: Otto Zhou, [M1])

V roce 1999 fyzikové z Národní laboratoře Lawrence Berkeleyho (Lawrence Berkeley National Laboratory) oznámili pozorování tří srážek při vysoké energii, při nichž vznikala jádra chemického prvku 118. Každé jádro se rychle rozpadlo.

O dva roky později stejný tým fyziků po pečlivé analýze svých pozorování dospěl k závěru, že jejich objev byl zpochybněn. Krátké oficiální odvolání objevu bylo publikováno 15. července 2002 v časopise Physical Review Letters.

Zelené rostliny obsahují v chloroplastech zelený pigment chlorofyl vázáný na protein. Chlorofyl obsahuje v porfyrinovém jádru chelátově vázaný atom hořčíku. Má základní význam pro fotosyntézu, při níž se světelná energie viditelného záření vlnových délek 400 nm až 800 nm přeměňuje na energii ukládanou v podobě chemické energie organických sloučenin. Zásadní význam má fotosyntéza pro syntézu glycidů, zejména sacharosy a škrobu. Pro živočichy má fotosyntéza rostlin existenční význam, protože přeměňuje atmosférický oxid uhličitý na kyslík.

Přeměnu atmosférického oxidu uhličitého na kyslík by v blízké budoucnosti mohly zajišťovat umělé listy zhotovené z polovodičů. Umělé zachycování oxidu uhličitého vyžaduje světlo, katalyzátor (jako je sírník kademnatý) a organické molekuly. Nová studie týmu fyziků z Oak Ridge a Vanderbilt ukazuje, jak tento proces může být účinnější, aby jej bylo možno využít v průmyslovém měřítku. Na rozdíl od původních úvah studie ukazuje, že zachycení oxidu uhličitého nemusí probíhat přímo na povrchu katalyzátoru. Místo toho fyzikové uvažovali dvoukrokový proces. V prvním kroku se na povrchu katalyzátoru provede ionizace molekul oxidu uhličitého a vytvoří se velmi reaktivní radikál. Ve druhém kroku se tento radikál zkombinuje s dalšími molekulami oxidu uhličitého nebo s organickými molekulami v jeho blízkosti.

Stephen Pennycook [M2] ve své studii ukazuje, jaký význam má hrubost povrchu katalyzátoru. Hladký povrch sirníku kademnatého CdS jako katalyzátor nelze použít, ale nanokrystaly ano. Navíc dopování těchto nanokrystalů dalšími prvky umožňuje zachycení oxidu uhličitého také bez přítomnosti světla. (Wang et al., Physical Review Letters, 15. července 2002)

Gama nůž je název pro zařízení, které používá gama záření o vysoké energii pro ozařování nitrolebečních nádorových buněk, které nelze odstranit jiným způsobem. Příkladem je akustická neuroma, rakovinný nádor vestibulárního nervu.

Vědecký tým gama nože pod vedením Jen-San Tsaie, Ph.D. v lékařském středisku Tufts New England Medical Center v Bostonu vyvinul pole 201 kobaltových zdrojů gama záření, které jsou rozmístěny takovým způsobem, že gama paprsky se sbíhají přímo v nádoru, jehož souřadnice jsou určeny metodou CT a MRI. Tuto neinvazivní metodu, nazývanou stereotaktická radiochirurgie, používá 66 lékařských zařízení v Severní Americe a 154 zařízení ve světě. Na zasedání Americké asociace fyziků v lékařství (the American Association of Physicists in Medicine) v Montrealu v červenci 2002 Jen-San Tsai [M3] oznámil nové přesnější metody určování souřadnic pomocí MRI a CT, které umožní ještě více zmenšit dávky záření.

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 597. July 9, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.